Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Φυσικής Εργαστήριο Ηλεκτρονικής. Ψηφιακά Ηλεκτρονικά. Καταχωρητές και Μετρητές 2. Επιμέλεια Διαφανειών: Δ.

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Φυσικής Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Καταχωρητές και Μετρητές Επιμέλεια Διαφανειών: Δ. Μπακάλης Πάτρα, Φεβρουάριος 2009 Εισαγωγή Καταχωρητής: είναι μία ομάδα από δυαδικά κύτταρα αποθήκευσης και από λογικές πύλες που διεκπεραιώνουν τη μεταφορά πληροφοριών. Οι μετρητές είναι καταχωρητές που περνούν διαδοχικά από μια προκαθορισμένη ακολουθία καταστάσεων. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 2 Καταχωρητές και Μετρητές 2

2 Καταχωρητής Ο απλούστερος δυνατός τύπος καταχωρητή αποτελείται μονάχα από flip-flops χωρίς εξωτερικές πύλες. Ο καταχωρητής αποθηκεύει τις τιμές των εισόδων I 0 -I 3 σε κάθε θετική ακμή του σήματος Clock. Φόρτωση (loading): η εισαγωγήπληροφοριών μέσα σε έναν καταχωρητή. Παράλληλη αν γίνεται σε όλα τα δυαδικά ψηφία μαζί. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 3 Καταχωρητές και Μετρητές 3 Καταχωρητής με Παράλληλη Φόρτωση Ο έλεγχος εισαγωγής νέας πληροφορίας (επίτρεψη/απόρριψη) δεν πρέπει να γίνεται με λογικές πύλες στο σήμα clock αλλά θα πρέπει να χρησιμοποιούνται οι ασύγχρονες είσοδοι των flip-flop. Η είσοδος φόρτωσης (load) καθορίζει εάν στον επόμενο παλμό ο καταχωρητής θα δεχτεί νέες πληροφορίες ή θα διατηρήσει τις προηγούμενες. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 4 Καταχωρητές και Μετρητές 4

3 Καταχωρητής Ολίσθησης Καταχωρητής ολίσθησης: Ένας καταχωρητής με δυνατότητα ολίσθησης των δυαδικών πληροφοριών προς τα δεξιά ή/και προς τα αριστερά. Η σειριακή είσοδος καθορίζει την πληροφορία που εισέρχεται κατά την ολίσθηση στον καταχωρητή. Η σειριακή έξοδος καθορίζει την πληροφορία που εξέρχεται κατά την ολίσθηση από τον καταχωρητή. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 5 Καταχωρητές και Μετρητές 5 Καταχωρητής Ολίσθησης Αμφίδρομος Καταχωρητής ολίσθησης: Ένας καταχωρητής με δυνατότητα ολίσθησης των περιεχομένων του και προς τις δύο κατευθύνσεις. Μονόδρομος Καταχωρητής ολίσθησης: Ένας καταχωρητής με δυνατότητα ολίσθησης των περιεχομένων του μόνο προς τη μία κατεύθυνση. Καταχωρητής ολίσθησης με παράλληλη φόρτωση: Ένας καταχωρητής που μπορεί να κάνει ολισθήσεις και να φορτωθεί παράλληλα. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 6 Καταχωρητές και Μετρητές 6

4 Αμφίδρομος Καταχωρητής Ολίσθησης με Παράλληλη Φόρτωση Οι δυνατότητες που έχουν συνήθως οι καταχωρητές είναι οι ακόλουθες: 1. Μια είσοδο μηδενισμού (θέτει τον καταχωρητή στο 0). 2. Μία είσοδο CLK για τους παλμούς ρολογιού. 3. Μία είσοδο ελέγχου δεξιάς ολίσθησης. 4. Μία είσοδο ελέγχου αριστερής ολίσθησης. 5. Μία είσοδο ελέγχου παράλληλης φόρτωσης. 6. n γραμμές παράλληλης εισόδου / n γραμμές παράλληλης εξόδου. 7. Μία γραμμή σειριακής εισόδου / μία γραμμή σειριακής εξόδου. 8. Μία κατάσταση ελέγχου η οποία αφήνει αναλλοίωτες τις πληροφορίες. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 7 Καταχωρητές και Μετρητές 7 Αμφίδρομος Καταχωρητής Ολίσθησης με Παράλληλη Φόρτωση s 1 s Μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας flip-flops τύπου D και πολυπλέκτες 4-σε-1. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 8 Καταχωρητές και Μετρητές 8

5 Αμφίδρομος Καταχωρητής Ολίσθησης με Παράλληλη Φόρτωση Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 9 Καταχωρητές και Μετρητές 9 Σειριακή Μεταφορά Ένα ψηφιακό σύστημα λειτουργεί σειριακά, όταν οι πληροφορίες μεταφέρονται και επεξεργάζονται το ένα δυαδικό ψηφίο μετά το άλλο σε διαδοχικούς χρόνους. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 10 Καταχωρητές και Μετρητές 10

6 Σειριακή Μεταφορά Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 11 Καταχωρητές και Μετρητές 11 Σειριακή Πρόσθεση Παράλληλος αθροιστής 1. Καταχωρητές παράλληλης φόρτωσης. 2. Χρειάζεται n πλήρεις αθροιστές 3. Είναι συνδυαστικό κύκλωμα Σειριακός αθροιστής 1. Καταχωρητές ολίσθησης. 2. Χρειάζεται 1 πλήρη αθροιστή 3. Είναι ακολουθιακό κύκλωμα Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 12 Καταχωρητές και Μετρητές 12

7 Μετρητές Μετρητής Ριπής: Οι είσοδοι C όλων των flip flops εκτός του πρώτου πυροδοτούνται από τις ακμές των κυματομορφών που βγαίνουν από τα άλλα flip flops. Σύγχρονος Μετρητής: Οι είσοδοι C όλων των flip flops τροφοδοτούνται από τους ίδιους παλμούς ρολογιού. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 13 Καταχωρητές και Μετρητές 13 Δυαδικός Μετρητής Ριπής Αν πάρουμε την έξοδο μέτρησης από τους ακροδέκτες Q τότε έχουμε έναν μετρητή προς τα κάτω. Άλλος τρόπος είναι να πυροδοτούνται τα flip flops από τη θετική ακμή του ρολογιού. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 14 Καταχωρητές και Μετρητές 14

8 Μετρητής Ριπής BCD Το Q 1 αντιστρέφεται πάντα με τον παλμό μέτρησης. Το Q 2 αντιστρέφεται αν Q 8 =0 και μηδενίζεται όταν Q 8 =1 (με τον παλμό Q 1 ). To Q 4 αντιστρέφεται πάντα με τον παλμό Q 2. Το Q 8 αντιστρέφεται όταν Q 4 Q 2 =11 με τον παλμό του Q 1 (αλλιώς μηδενίζεται). Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 15 Καταχωρητές και Μετρητές 15 Μετρητής Ριπής BCD Το Q 1 αντιστρέφεται πάντα με τον παλμό μέτρησης. Το Q 2 αντιστρέφεται αν Q 8 =0 και μηδενίζεται όταν Q 8 =1 (με τον παλμό Q 1 ). To Q 4 αντιστρέφεται πάντα με τον παλμό Q 2. Το Q 8 αντιστρέφεται όταν Q 4 Q 2 =11 με τον παλμό του Q 1 (αλλιώς μηδενίζεται). Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 16 Καταχωρητές και Μετρητές 16

9 Δεκαδικός Μετρητής BCD 3 ψηφίων Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 17 Καταχωρητές και Μετρητές 17 Σύγχρονος Δυαδικός Μετρητής Οι είσοδοι C όλων των flip flops πυροδοτούνται από τον κοινό παλμό ρολογιού. Στο δυαδικό μετρητή κάθε flip flop πρέπει να αντιστρέφεται μόνο στην ακμή του ρολογιού και όταν όλα τα λιγότερο σημαντικά ffs είναι στο 1. Οι σύγχρονοι μετρητές έχουν ομοιόμορφη δομή και μπορούν να κατασκευαστούν εύκολα με πύλες και αντιστρέφοντα flip flops. Ο σύγχρονος μετρητής λειτουργεί το ίδιο και με πυροδότηση στη θετική ακμή. O σύγχρονος μετρητής μπορεί να μετράει προς τα κάτω αν στις εισόδους των πυλών ΚΑΙ περάσουμε τις συμπληρωματικές εξόδους των flip flops. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 18 Καταχωρητές και Μετρητές 18

10 Σύγχρονος Δυαδικός Μετρητής Πάνω/Κάτω Μέτρηση Κάτω Μέτρηση Πάνω Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 19 Καταχωρητές και Μετρητές 19 Δυαδικός Μετρητής Παράλληλης Φόρτωσης Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 20 Καταχωρητές και Μετρητές 20

11 Δυαδικός Μετρητής Παράλληλης Φόρτωσης Ο μετρητής των 4 δυαδικών ψηφίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βάση για τη δημιουργία οποιουδήποτε μετρητή. Για παράδειγμα, ο μετρητής των 8 bits προκύπτει αν συνδέσουμε το κρατούμενο εξόδου του μετρητή χαμηλότερης σημαντικότητας στην είσοδο μέτρησης του μετρητή υψηλότερης σημαντικότητας. 1 4 bits 4 bits... 4 bits Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 21 Καταχωρητές και Μετρητές 21 Παράδειγμα Μετρητής mod-10 Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 22 Καταχωρητές και Μετρητές 22

12 Παράδειγμα: Μετρητής με μη δυαδική ακολουθία xxxxxx JA = B KA = B JB = C KB = 1 JC = B KC = 1 xxxxxx Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 23 Καταχωρητές και Μετρητές 23 Παράδειγμα: Μετρητής με μη δυαδική ακολουθία Κύκλωμα αυτόματης διόρθωσης Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 24 Καταχωρητές και Μετρητές 24

13 Ακολουθίες Χρονισμού Μετρητής Δακτυλίου: Ένας κυκλικός καταχωρητής ολίσθησης με μία μονάδα. Κατασκευή Πολυφασικών Ρολογιών με χρήση συνδυαστικών πυλών. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 25 Καταχωρητές και Μετρητές 25 Ακολουθίες Χρονισμού Μετρητής Johnson: Ένας μετρητής δακτυλίου με αντιστροφή ουράς (παράγει διπλάσιο αριθμό καταστάσεων). Μειονέκτημα: Αν μπει σε κάποια από τις αχρησιμοποίητες καταστάσεις δεν μπορεί να βγει. Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 26 Καταχωρητές και Μετρητές 26

14 Βιβλιογραφία 1. Ψηφιακή Σχεδίαση (3 η έκδοση), Μ. Morris Mano, Εκδόσεις Παπασωτηρίου, Ψηφιακή Σχεδίαση Αρχές και Πρακτικές, J. Wakerly, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, Digital Design (4 th edition), M. Morris Mano & M. Ciletti, Pearson Prentice Hall, 2007 Σύγχρονα Καταχωρητές Ακολουθιακά και Μετρητές Κυκλώματα 27 Καταχωρητές και Μετρητές 27